技术领域
[0001] 本申请涉及波浪发电技术领域，尤其涉及一种波浪阵列控制方法、波浪阵列装置及波浪阵列集群。
相关背景技术
[0002] 能源利用过程中，海洋能源的利用是当前能源研究的主要方向。其中，波浪发电是海洋能源利用的一种实现方式，通过将海洋波浪能转换为电力的方式，对海洋能源进行利用。
[0003] 波浪发电是以波浪的能量为动力产生电能，也就是通过捕捉波浪的动能或压能推动装置运动，再带动发电机发电。由于波浪有很强的间歇性和不稳定性，若直接对其利用进行发电，则产生的电能具有强波动性，电能质量不理想。因此在实现波浪能向电能转换的过程中，需要对产生的电能的波动性进行控制。
具体实施方式
[0051] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0052] 本申请实施例提供了一种波浪阵列控制方法，以用于在波浪发电过程中，对产生电能的波动性进行控制，该波浪阵列控制方法可以应用在各种波浪发电环境中，该波浪阵列控制方法的方法流程图如图1所示，该波浪阵列控制方法应用于波浪阵列装置中，该波浪阵列装置的结构示意图如图2所示，该波浪阵列装置包括：波浪阵列201、第一变换器组202、第二变换器203、超级电容储能装置204以及第三变换器205，所述波浪阵列201、所述第一变换器组202及所述第二变换器203依次串联，所述超级电容储能装置204通过所述第三变换器205连接在所述第一变换器组202与所述第二变换器203之间的连接线上；
[0053] 所述波浪阵列控制方法，包括：
[0054] S101：确定第一控制脉冲信号，依据所述第一控制脉冲信号，触发所述第三变换器对所述超级电容储能装置的输出功率进行调节，以使所述超级电容储能装置对所述波浪阵列输出的波浪功率进行平抑；
[0055] S102：确定第二控制脉冲信号，依据所述第二控制脉冲信号，触发所述第二变换器对第一输出功率进行调节后并输出；所述第一输出功率为所述波浪功率与经过调节的所述超级电容储能装置的输出功率进行汇流后的输出功率。
[0056] 本申请实施例提供的波浪阵列控制方法基于图2所示的波浪阵列装置实现，该波浪阵列装置中包括：
[0057] 波浪阵列201、第一变换器组202、第二变换器203、超级电容储能装置204以及第三变换器205，所述波浪阵列201、所述第一变换器组202及所述第二变换器203依次串联，所述超级电容储能装置204通过所述第三变换器205连接在所述第一变换器组202与所述第二变换器203之间的连接线上；
[0058] 其中：
[0059] 所述超级电容储能装置204经过所述第三变换器205对其输出功率进行调节，以对所述波浪阵列201输出的波浪功率进行平抑；
[0060] 经过调节的所述超级电容储能装置204的输出功率与所述波浪功率汇流后，经过所述第二变换器203调节后输出。
[0061] 在图2所示的波浪阵列装置中，该波浪阵列201中包括m*n个波浪发电装置单体；所述m和n为大于1的正整数；
[0062] 各个所述波浪发电装置单体以矩阵形式排布，位于每一行中的各个所述波浪发电装置单体依次串联；位于每一列中的各个所述波浪发电装置单体依次串联；
[0063] 每个所述波浪发电装置单体输出的波浪功率经过汇流后由所述波浪阵列201输出对应的波浪功率。
[0064] 所述第一变换器组202中包括m*n个第四变换器；
[0065] 每个所述第四变换器与一个波浪发电装置单体一一对应连接；
[0066] 所述第四变换器为双向AC‑DC变换器。
[0067] 所述第一变换器组202与所述第二变换器203之间并接有电容器。
[0068] 所述第二变换器203为升压双向DC‑DC变换器；
[0069] 所述第三变换器205为具有功率平抑功能的双向DC‑DC变换器。
[0070] 本申请实施例提供的波浪阵列装置中，优选的，每个所述第四变换器为双向AC‑DC变换器，所述第二变换器为升压双向DC‑DC变换器，第三变换器为具有功率平抑功能的双向DC‑DC变换器。
[0071] 波浪阵列201中的每个波浪发电装置将波浪能转换为电能，各个波浪发电装置的电能经汇流后，由所述波浪阵列201的输出端口输出，该波浪阵列201输出功率的波动性由超级电容储能装置204、第一变换器组202、第二变换器203及第三变换器205进行平抑控制。
[0072] 在对波浪阵列201输出的电能的功率进行平抑的过程中，确定第一控制脉冲信号，依据所述第一控制脉冲信号，触发所述第三变换器对所述超级电容储能装置的输出功率进行调节，以使所述超级电容储能装置对所述波浪阵列输出的波浪功率进行平抑；确定第二控制脉冲信号，依据所述第二控制脉冲信号，触发所述第二变换器对第一输出功率进行调节后并输出；所述第一输出功率为所述波浪功率与经过调节的所述超级电容储能装置的输出功率进行汇流后的输出功率。
[0073] 结合图4，在功率输出的过程中，通过对第三变换器以及第二变换器进行脉冲控制，以达到调节输出功率的目的，其中，第一控制脉冲信号在图4中可以有buck2和boost2组成。
[0074] 本申请实施例提供的方法中，该第一控制脉冲信号的确定过程，包括：
[0075] 获取第一电流以及第二电流；
[0076] 依据所述第一电流以及所述第二电流，确定所述超级电容储能装置对应的功率参考值；
[0077] 对所述超级电容储能装置对应的功率参考值进行电流内环操作，获得所述第一控制脉冲信号。
[0078] 结合图4、图7及图8，确定的第一电流可以为ibus，第二电流可以为阵列输出实时电流iwec；
[0079] 第一电流ibus以及第二电流iwec，结合直流母线参考值电压Vbus_ref，以及Vbus，经过各个已设置器件的处理后，获得超级电容储能装置对应的超级电容功率参考值Psc_ref；
[0080] 进一步的，对超级电容功率参考值Psc_ref进行电流内环操作，如图8中所示，经过各个器件的处理后，分别输出buck2和boost2，将buck2和boost2作为第一控制脉冲信号输入第三变换器中，触发所述第三变换器对所述超级电容储能装置的输出功率进行调节。
[0081] 本申请实施例提供的方法中，所述第二控制脉冲信号的确定过程，包括：
[0082] 获取所述波浪阵列的波浪功率；
[0083] 将所述波浪功率通过低通滤波器处理得到阵列输出功率参考值；
[0084] 依据所述阵列输出功率参考值，获得电流参考值；
[0085] 将所述电流参考值依次经过PI控制器、限幅器后与三角载波比较，获得所述第二控制脉冲信号。
[0086] 结合图4、图5及图6，确定波浪阵列的波浪功率Pwec，进一步的将该Pwec通过低通滤波器等及各个器件依次进行处理，获得阵列输出功率参考值Pout_ref，进一步依据所述Pout_ref结合直流母线电压Vbus获得相应电流参考值；
[0087] 进一步的经过PI控制器、限幅器等器件后，分别获得boost1和buck1。
[0088] 将boost1和buck1作为第二控制脉冲信号，依据所述第二控制脉冲信号，触发所述第二变换器对第一输出功率进行调节后并输出。
[0089] 参考图3，本申请实施例提供了一种波浪阵列集群，包括：多个相互并联的阵列单元，每个所述阵列单元并接在中压直流母线上，经所述中压直流母线与海上变电站中的集中电储能装置连接；在图3中纵向的各个波浪阵列装置组成一个阵列单元。
[0090] 每个阵列单元中包括多个依次串联的上述的波浪阵列装置。
[0091] 上述的波浪阵列集群，每个阵列单元中相邻两个波浪阵列装置之间设置有断路器；
[0092] 所述断路器在正常运行工况下处于闭合状态。
[0093] 本申请实施例提供的波浪阵列控制方法还可以具体应用在上述该波浪阵列集群中，具体可以如下：
[0094] 一种波浪阵列控制方法，所述方法应用于波浪阵列集群，所述波浪阵列集群包括多个相互并联的阵列单元，每个所述阵列单元并接在中压直流母线上，经所述中压直流母线与海上变电站中的集中电储能装置连接，所述波浪阵列装置包括：波浪阵列、第一变换器组、第二变换器、超级电容储能装置以及第三变换器，所述波浪阵列、所述第一变换器组及所述第二变换器依次串联，所述超级电容储能装置通过所述第三变换器连接在所述第一变换器组与所述第二变换器之间的连接线上；
[0095] 所述波浪阵列控制方法，包括：
[0096] 发送调度指令至所述波浪阵列集群，对所述调度指令进行拆分，逐一发送至每个所述波浪阵列装置，以控制每个所述波浪阵列装置的发电动作；
[0097] 所述控制每个所述波浪阵列装置的发电动作，包括：
[0098] 确定第一控制脉冲信号，依据所述第一控制脉冲信号，触发所述第三变换器对所述超级电容储能装置的输出功率进行调节，以使所述超级电容储能装置对所述波浪阵列输出的波浪功率进行平抑；
[0099] 确定第二控制脉冲信号，依据所述第二控制脉冲信号，触发所述第二变换器对第一输出功率进行调节后并输出；所述第一输出功率为所述波浪功率与经过调节的所述超级电容储能装置的输出功率进行汇流后的输出功率。
[0100] 结合上述对波浪阵列控制方法、波浪阵列装置以及波浪阵列集群的描述，以下结合具体的实现过程，进行实例描述：
[0101] 本申请实施例提供的方案中，为实现波浪发电的大规模应用，提出了单体、阵列、集群的三级波浪发电系统架构。其中，波浪阵列可选的，可以由9个波浪发电装置单体组成一个3×3阵列，阵列之间通过串、并联的方式进行汇流集电，通过中压海缆输送至海上变电站，而后再传输至陆上电网。
[0102] 本申请实施例提供的方案中，针对波浪发电输出功率波动性问题，采用混合储能(电储能+超级电容)分别对长、短时间尺度的功率波动进行平抑以提升电能质量。由于各个阵列之间存在一定距离，其输出功率存在一定相位差，因此各个阵列功率叠加本身就能够减小一定的波动性，针对该特点，采取“分布式超级电容+集中式电储能”的方式，可以有效减少所需电池容量，充分利用集群效应。
[0103] 如图3所示，其中虚线椭圆框则为一个波浪阵列装置，波浪阵列装置之间通过串并联的方式连接，达到升压汇流的目的。同时，在波浪阵列装置间设置一个断路器，用于在某个单体发生故障时能够快速切除，避免其对整个系统造成较大损失。其次，在正常运行工况下，各断路器处于闭合状态。该拓扑结构可被称作“并联串型”，在海上风电系统中已经得到一定的应用。
[0104] 本申请实施例提供的方案中，超级电容储能装置通过双向DC‑DC变换器并接在直流母线上，用于平抑短时波浪功率波动；其次，直流母线电压设置为690V或700V，直流母线电压可以根据波浪阵列功率及串并联情况确定，超级电容还起到稳定直流母线电压的作用；然后，通过双向DC‑DC变换器升压到一定值，与其他阵列模块串并联并汇流在中压直流母线上。
[0105] 本申请实施例提供的方法中，第二变换器Converter1的控制策略：
[0106] 首先，波浪发电功率通过低通滤波器得到阵列输出功率参考值，同时为保障输出电压稳定性，将电压偏离也经过PI控制器加入到功率参考值中，由此得到第二变换器的输出功率参考值，进而得到电流参考值，再经过PI控制器与限幅器后与三角载波比较，得到控制脉冲信号。
[0107] 第三变换器Converter2的控制策略：
[0108] 第三变换器Converter2与超级电容储能装置相连，控制其输出电流大小(即输出功率大小)。如前所述，超级电容储能装置需要完成两部分工作，其一是需要平抑波浪输出功率波动，在图4中体现为iwec和ibus之差；其二是需要维持母线电压稳定，Vbus稳定。因此，其功率参考值来源应分别对应上述两部分，而后通过电流内环得到第三变换器的控制脉冲信号。
[0109] 各波浪阵列装置进行汇流后通过中压海缆输送到海上变电站，由于各个波浪阵列装置之间有一定的距离，因此其输出功率叠加能够达到“峰谷相消”的作用，而集中电储能装置进一步平抑功率波动，保证能够满足并网条件，同时集中电储能装置还可以为电网提供一定的辅助服务。基于该阵列拓扑结构与集群控制策略，首先实现了波浪发电功率的平抑以达到并网标准，其次保证了两级直流母线电压稳定，保证了汇流系统的安全可靠。
[0110] 依托于集群式波浪发电系统与海上变电站的物理模型，建立“集群‑阵列‑单体”三级协调控制体系，如图9所示，其中功率流自底层发电单体逐级汇流经阵列平台和系统集群送至电网，信号流自电网向顶层集群发送调度指令，经分解发送至阵列，以控制每一个单体发电装置动作。该控制架构体系对电网能够实现多功能或多目标切换，例如，波浪集群的最大功率输出、整体作为可控负荷参与调峰、调整功率输出起到调频作用等。体系内部通过通信、计量等技术，将外部电网指令传递给最上级“集群”，而后利用预设策略将外部指令拆解为对应单个阵列的控制指令，以控制阵列级储能装置的充放电动作，从而实现集群式波浪发电系统运行模式的顺利切换。其次，为降低储能容量配置成本，阵列级储能装置和变电站储能装置对于功率型储能和能量型储能的配比应相互协调，呈现互补特性，例如：阵列级储能装置以功率型储能为主，而变电站储能以能量型储能为主。
[0111] 上述提及的多目标切换中的最大功率输出模式的控制策略如下：
[0112] 正常情况下，各阵列互不干扰，按照上述的控制策略运行。但由于各波浪阵列串联运行，因此彼此存在耦合影响。举例说明，以阵列k和阵列j为例，串联ij＝ik，则由于阵列之间排布存在一定间距(比如相隔1km)，接收到的波浪能也会存在一定的相位差(甚至在不规则波情况下，阵列k和阵列j的波浪功率不简单是相位平移的关系)，因此一般情况下Pjout≠Pkout，Vjout≠Vkout。假设Pjout＞Pkout，则Vjout＞Vkout，当Pjout进一步增大时，Vjout上升，而Vkout下降，而由于波浪周期为s级，则Pjout与Pkout之间的相对大小关系会持续一段时间，因此有可能出现Vjout持续上升达到电压上限，Vkout下降到电压下限的情况，因此需要注意的是当其中某个阵列出现电压越限(无论是上限或者下限)，该组串中所有阵列的控制策略都应该响应。
[0113] 假设一个组串有n个阵列，其中阵列k，Vkout＞Vmax，则该阵列从“最大功率模式”切出，实行“弃波”模式，Pkwec＝Pkmax‑α(Vkout‑Vmax)，其中参数α为分段函数，其取值根据输出功率以及电压等级确定，基本上按照弃波10％、25％以及40％进行划分，后续也会测试将α设定为一个与电压相关的函数。
[0114]
[0115] 当Vkout
[0116]
[0117] 综上所述，在最大化功率提取模式下，阵列间的协同运行主要体现在对于阵列提取波浪功率Pwec的调整与控制上，同时由于该功率的变化，也会对超级电容、电储能系统的充放电产生影响。
[0118] 本领域技术人员可以理解，上述示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
[0119] 最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0120] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间可以根据需要进行组合，且相同相似部分互相参见即可。
[0121] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
